不同因素对蔗渣碱化效果的影响

常国炜，吴兆鹏，韦家周，蚁细苗，谭文兴，韦志坚，张 宇，梁达奉*

（1广州甘蔗糖业研究所 广东省甘蔗改良与生物炼制重点实验室，广东广州510316；2广西农垦绿姆山牛业有限公司，广西南宁530042）

不同因素对蔗渣碱化效果的影响

常国炜1，吴兆鹏1，韦家周2，蚁细苗1，谭文兴1，韦志坚2，张 宇2，梁达奉1*

（1广州甘蔗糖业研究所 广东省甘蔗改良与生物炼制重点实验室，广东广州510316；2广西农垦绿姆山牛业有限公司，广西南宁530042）

碱化是蔗渣粗饲料化的主要处理方式，能大幅提高其利用率。本实验采用单因素实验研究不同碱化方式、除碱方式、蔗渣水分、碱浓度、碱化时间和碱化温度等因素对蔗渣碱化效果的影响。结果表明：浸泡碱化和挤压除碱是较优的碱化方式和除碱方式；碱浓度在10%以内，浓度越高，纤维破坏程度越大，降解产物越多；蔗渣水分在40%～70%时均能达到较好的碱化效果；碱化时间40 min、碱化温度50℃时，能达到最佳的碱化效果。

饲料；碱化蔗渣；碱化工艺

0 前言

蔗渣是一种制糖工业的副产品，蔗渣产量巨大，其综合利用一直为人们所重视。蔗渣最主要的成分是纤维素，约占40%～50%；其次是半纤维素和木质素，分别约占25%～35%和15%～25%[1]，从成分上看无疑能作为一种反刍动物的粗饲料使用。但由于蔗渣木质化程度高、其质地粗糙坚硬，木质素和半纤维素共价结合、纤维素的结晶结构以及纤维素被木质素和半纤维素包覆[2]，使得纤维表面对纤维素酶具有阻抗作用[3]。而且木质素对生物酶存在吸附作用[4]，影响瘤胃消化能力，损害和扰乱消化系统。所以必须先对蔗渣进行处理后才能作为饲料使用。

饲料用蔗渣的处理方法主要有膨化[5]、碱化[6]和生物发酵处理[7]等，也有复合上述若干种方法进行处理[8]。其中，碱化处理能不同程度地改变纤维素、半纤维素和木质素的结构，降低其含量，破坏结晶构造，打破它们之间的复杂结构，提高基质孔隙率。碱化处理所用的碱主要有NaOH、Ca(OH)2等。经碱化后的蔗渣质地松软，更重要的是可以提高酶的可及性，达到提高消化率的目的。

本文以NaOH为碱化试剂，将蔗渣碱化过程分为3道工序：碱化、除碱和干燥。通过单因素实验法，利用纤维素、半纤维素和木质素等指标，研究碱化方式、除碱方式及碱化工序中蔗渣水分、碱浓度、碱化时间和碱化温度对碱化效果的影响。通过探索不同因素对蔗渣碱化效果的影响，为蔗渣作肉牛粗饲料的可行性提供参考。

1 材料与方法

1.1材料与仪器

甘蔗渣（水分为60%），广州甘蔗糖业研究所提供；分析纯氢氧化钠，广试；检测过程中所用试剂均符合国标或行标规定。

YP6001N电子天平，上海舜宇恒平科学仪器有限公司；挤压设备；DH6-9143B5-Ⅲ电热恒温鼓风干燥箱，上海新苗医疗器械制造有限公司；501超级恒温水箱，常州澳华仪器有限公司；HB43-S卤素水分测定仪，瑞士Mettler Toledo；检测过程中所用仪器均符合国标或行标规定。

1.2试验方法

1.2.1比较碱化方式（浸泡与喷淋）对碱化效果的影响

取2份175 g蔗渣分别放入棉布袋中。1份浸泡在碱液（100 g氢氧化钠+1795 g水，即考虑蔗渣水分后NaOH终浓度为5%(w/w，下同)）中，另1份用喷雾器喷12.5%NaOH溶液70 g到蔗渣中（考虑蔗渣水分后NaOH终浓度亦为5%），边喷边搅拌。在15℃下浸泡或静置40 min后，用挤压设备压出碱液，将碱化蔗渣和原样放入干燥箱中65℃烘干。烘干后分别按照GB/T 20806-2006[9]、NY/T 1459-2007[10]、GB/T 20805-2006[11]和GB/T 13885-2003[12]测定碱化蔗渣和原样中的中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、酸性洗涤木质素和钠元素含量，从而计算出纤维素C、半纤维素HC和氢氧化钠WNaOH的质量分数。计算公式如下（假定钠均以氢氧化钠的形式残留）：C=ADF-ADL，HC=NDF-ADF，WNaOH=WNa/ArNa×MrNaOH。

式中：ADF为酸性洗涤纤维，ADL为酸性洗涤木质素，NDF为中性洗涤纤维，WNa为Na的质量分数，ArNa为Na的相对原子质量，MrNaOH为NaOH的相对分子质量。

1.2.2比较除碱方式（挤压与用大量水冲洗）对碱化效果的影响

取2份175 g蔗渣分别放入棉布袋中，分别在15℃的碱液（配制方法如1.2.1小节）中浸泡40 min后，1份用挤压设备压出碱液，另1份用大量水冲洗至中性后用手压至无水滴滴出。后续步骤参照

1.2.1小节（加测除碱后的水分）。

1.2.3比较蔗渣水分对碱化效果的影响

通过日照或加水的方式调节蔗渣水分，取一定量的蔗渣（保证干物质量相同，为70 g）放入棉布袋中，在15℃的碱液（保证NaOH终浓度相同，为5%）中浸泡40 min，后续步骤参照1.2.1小节。蔗渣量和碱液配制方法如表1。

表1　不同试验的蔗渣量和碱液配制方法

1.2.4比较NaOH浓度对碱化效果的影响

取4份175 g蔗渣分别放入棉布袋中，分别在15℃的不同浓度碱液中浸泡40 min，4个浓度的碱液配制方法如表2。后续步骤参照1.2.1小节。

1.2.5比较碱化时间对碱化效果的影响

取4份175 g蔗渣分别放入棉布袋中，分别在15℃的碱液中浸泡20、40、60、80 min。后续步骤参照1.2.1小节（不测钠含量）。

1.2.6比较温度对碱化效果的影响

取6份175 g蔗渣分别放入棉布袋中，分别在15、20、30、40、50℃的碱液中浸泡40 min。后续步骤参照1.2.1小节（不测钠含量）。

表2　不同浓度的碱液配制方法

2 结果与分析

2.1浸泡与喷淋对碱化效果的影响

2种碱化方法的区别在于碱液在蔗渣中的分布情况。浸泡时蔗渣完全浸没在碱液之中，碱液量大，碱液容易渗入到蔗渣之中，达到碱浓度平衡；而喷淋时，高浓度碱液喷淋在蔗渣表面，碱液量小，碱液不容易渗入蔗渣之中，造成碱浓度不平衡。表3是不同碱化方式处理后各组分含量对比数据。通过钠含量可以看出，喷淋组的钠含量明显低于浸泡组，说明喷淋组的碱液只停留在蔗渣表面，通过挤压较容易压出。从纤维素的含量来看，浸泡组比原样提高了7.7%，而喷淋组却下降了9.4%，这可能是因为浸泡组蔗渣中碱浓度较平衡，均在5%左右，在这个浓度下纤维素的反应性较半纤维素和木质素低，所以纤维素含量反而升高了；而喷淋组的蔗渣表面浓度可达12.5%，在这个浓度下纤维素的反应性可能更强，所以纤维素含量下降了。从木质素的含量来看，浸泡组比原样下降了34.95%，而喷淋组却上升了4.0%，原因可能如上所述，而木质素含量上升对于蔗渣粗饲料化是不利的。综上所述，浸泡碱化比喷淋碱化更优。

表3　不同碱化方式处理后各组分含量对比

2.2挤压与用大量水冲洗除碱对碱化效果的影响

2种除碱方式的区别在于是否较彻底地去除碱化后的残留碱。大量水冲洗后蔗渣残留碱浓度低，在干燥过程中几乎不会继续反应，而挤压后蔗渣中还残留大量碱，所以干燥过程中蔗渣处于高温、强碱的环境中，半纤维素和木质素会继续降解。表4是不同除碱方式处理后各组分含量对比数据，可以看出，水洗组的酸性洗涤木质素和半纤维素降幅为8.0%和24.4%，而挤压组则为43.0%和50.2%。挤压组的酸性洗涤木质素含量的降幅远大于水洗组，这必将有利于反刍动物对纤维的消化。而综合3大组分的数据也一定程度上说明挤压组对纤维的破坏比水洗组更强，更好地达到碱化的目的。

在能耗和环保方面，由于挤压后水分比较低，用于干燥的能量必然比水洗组少，而且挤压出的碱液可以直接重新利用，可以尽量减少化学试剂带来的污染。而水洗组不仅需要浪费大量水来冲洗蔗渣，而且会产生大量难以处理的低浓度碱液。综上所述，挤压除碱会比水洗除碱更优。

表4　不同除碱方式处理后各组分含量对比

2.3不同蔗渣水分对碱化效果的影响

不同水分的蔗渣由于其纤维的润胀程度不同，所以可能在碱化过程中存在不同的降解效果。试验数据见表5。从钠含量可以看出，氢氧化钠的残留程度相当，这可能说明在不同水分情况下，碱化过程的40 min内，NaOH均可较均匀地渗入蔗渣之中并达到浓度平衡。通过对比试验组和原样的3大组分含量可知，半纤维素和木质素均大量降解，这是蔗渣浸泡在NaOH溶液时和干燥过程中高温、强碱条件下对其造成的综合结果。其中，水分为50%的试验组，中性洗涤纤维比原样下降29.29%；水分为40%的试验组，木质素比原样下降36.59%，这都说明在不同水分均有较好的处理效果。但综合各个评价指标，不同水分之间的处理效果比较接近，没有明显优劣。所以蔗渣水分在40%～70%内，该工艺能达到较好的碱化效果。

表5　不同水分的蔗渣处理后各组分含量对比

2.4不同NaOH浓度对碱化效果的影响

对于蔗渣的碱化处理，碱浓度无疑是一个重要影响因素。碱浓度越高，纤维各组分降解越剧烈。各试验数据和物质含量变化趋势见表6和图1。随着碱浓度增大，中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维、半纤维素含量的降幅均越来越大。其中，半纤维素的降幅分别为31.1%、43.2%、48.7%、65.2%，说明半纤维素对碱有较强的反应性。而酸性洗涤木质素的降幅分别为23.4%、34.9%、41.9%、30.1%，降解程度略低于半纤维素。当碱浓度增加至10%时，酸性洗涤木质素含量降幅趋缓，这很可能是因为半纤维素降解变得更剧烈而造成的。纤维素的含量则相对稳定，说明其破坏程度有限，但并非没有参与反应。从3个组分总量来看，随着碱浓度增加，3个组分总量不断减小，说明干燥后蔗渣中存在相当量的降解产物，包括各种糖类及其衍生物和木质素降解产物，这些降解产物对反刍动物的消化有何影响暂无定论。

表6　不同NaOH浓度处理后各组分含量对比

2.5不同碱化时间对碱化效果的影响

碱化时间影响着碱液在蔗渣里的扩散情况和反应程度。通过表7的数据分析，不同碱化时间均有较好的效果，这可能是因为碱液能在较短时间内渗入到蔗渣之中。其中，碱化40 min组，中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维均达到最低值，与原样相比降幅分别为23.42%和12.06%。所以，浸泡时间在20～80 min内均有较好碱化效果，其中碱化40 min时效果更佳。

2.6不同温度对碱化效果的影响

碱化温度也能影响碱液在蔗渣里的扩散情况和反应程度。通过表8的数据分析，碱化温度在15～40℃时，各数据变化不大。而碱化温度为50℃时，中性洗涤纤维、酸性洗涤纤维和酸性洗涤木质素均为5个水平中的最低值，与原样相比降幅分别为28.60%、17.24%和59.40%，这很可能是由于高温提高了各种反应的反应速率。但碱化温度的上升必然导致能耗的增加，且对设备的要求也随之提高，所以碱化温度也应控制在合适的范围。综上所述，在15～50℃的范围内，50℃是较佳碱化温度。

图1　各物质含量变化趋势

表7　不同碱化时间处理后各组分含量对比

表8　不同温度处理后各组分含量对比

3 结论

本文比较浸泡和喷淋2种碱化方式，认为浸泡碱化能有效降解木质素，达到较好碱化效果。通过比较挤压和大量水冲洗2种除碱方式，认为挤压除碱不仅能达到较好的碱化效果，而且能降低整个碱化工艺的能耗，且更加环保。在碱化条件方面，在10%的碱浓度以内，碱浓度越大，纤维破坏程度越大，理论上越有利于反刍动物对蔗渣的利用。但同时降解产物越多，这对反刍动物的影响暂无定论。不同蔗渣水分的碱化效果比较接近， 没有明显优劣，这令蔗渣水分的选择上更加灵活。碱化时间为40 min、碱化温度为50 ℃时，能达到更佳的碱化效果。

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(本篇责任编校：朱涤荃)

The Effect of Different Factors on Bagasse Alkalization

CHANG Guo-wei1, WU Zhao-peng1, WEI Jia-zhou2, YI Xi-miao1, TAN Wen-xing1, WEI Zhi-jian2, ZHANG Yu2, LIANG Da-feng1
(1Guangzhou Sugarcane Industry Research Institute/Guangdong Key Lab of Sugarcane Improvement & Biorefinery, Guangzhou 510316;2Guangxi State Farms Sugar Industrial Group Company Ltd., Lvmushan Cattle Co. Ltd, Guangxi 530042)

Alkalization is a major way of improving the digestibility of bagasse significantly. Single factor experiment were employed to study their influences on bagasse alkalization with factors of alkalization method, alkali removal method, bagasse moisture, concentration, time, temperature, etc. The results showed that soak and squeeze are better method of alkalization and alkali removal, respectively. Higher concentration within 10% of alkali is helpful in breaking the fibrous structure and producing degradation product. A good effect of alkalization is reached when bagasse moisture is between 40% to 70%, time is 40 min and temperature is 50℃.

Fodder; Alkaline bagasse; Alkalization method

TS249.2

A

1005-9695(2016)02-0031-06

2016-04-07；修回日期：2016-04-12

公益性行业（农业）科研专项经费资助(201403049)；八桂学者建设工程专项资助；广东省科技计划项目经费资助

常国炜(1989-)，男，助理工程师，主要从事食品生物技术研究

*梁达奉(1964-)，男，博士，教授级高级工程师，主要研究方向：制糖生物技术；E-mail: ldfjt@126.com

引文格式：常国炜，吴兆鹏，韦家周，等. 不同因素对蔗渣碱化效果的影响[J]. 甘蔗糖业，2016(2)：31-36.